锂硫电池的高理论能量密度使其成为下一代储能体系的有力竞争者，然而极端温度环境下的性能衰减限制了其实际应用——低温环境会引发多硫化物转化动力学迟缓，导致活性物质利用率下降；高温环境则会加剧多硫化物溶解和穿梭，造成活性物质不可逆损失。这两类失效模式与多硫化物穿梭、电极体积变化和反应动力学迟缓等锂硫电池固有问题深度耦合，严重影响了电池的稳定性和循环寿命。虽然电催化策略被证明能促进电化学反应，但其实际效率受限于电极结构的稳定性和电催化剂的温度适应性。因此，开发兼具机械稳定性与本征电催化功能的宽温域适应性关键材料仍是锂硫电池领域的重大挑战之一。

  近期，大连理工大学蹇锡高院士、胡方圆教授、东北林业大学张天鹏教授聚焦锂硫电池领域关键科学问题，通过对天然高分子的结构修饰与复合改性，创制出具有宽温域自适应能力的电场驱动粘结剂（GSCC），突破了传统粘结剂温度适应性薄弱和作为非活性组分仅提供单一机械性能的限制，助力锂硫电池在-40°C至60°C稳定服役。该粘结剂是由短共轭链段修饰的天然高分子与镓锡液态金属复合而成（图1），聚合物的短共轭链段提供了更高的局域电子电导率，并且其极性官能团的配位作用结合液态金属的电场驱动特性构建了均匀稳定的电催化环境，同时液态金属的相变特性增强了材料的温度适应性。因此，GSCC不仅能在宽温度范围内有效吸附并加速多硫化物的转化，还兼具高温自修复与低温内支撑能力，利于锂硫电池在极端温度环境下稳定服役。

图1 GSCC示意图及聚合物结构优势对比图。

  基于GSCC复合粘结剂对多硫化物高效的吸附及催化转化作用，改善了电池电化学反应动力学特性。通过原位拉曼测试，系统研究了工况下该粘结剂对多硫化物的吸附调控能力。结果表明，GSCC丰富的极性吸附位点能有效抑制多硫化物穿梭效应（图2）。通过密度泛函理论（DFT）计算，探究了GSCC对活性物质的吸附能力和电催化作用。结果证明，GSCC对不同多硫化物均具有较高的吸附能，并且动态电催化活性位点降低了多硫化物转化过程的反应能垒，使其具有较强的自发反应倾向。电化学测试表明，GSCC不仅显著提升了电池的倍率性能和循环稳定性，更能增强电极的结构稳定性和活性物质负载能力，由其组装的高负载锂硫软包电池在30次循环后容量保持率达85%以上。上述研究结果表明，GSCC复合粘结剂在锂硫电池中具有实际应用潜力（图3）。

图2 不同粘结剂作用下活性物质的电化学测试、光谱表征和计算模拟结果图。

图3 基于GSCC粘结剂的锂硫扣式电池和软包电池的电化学性能

  GSCC通过局部高导电共轭链段、交联氢键网络和动态活性位点构建的高电催化活性环境能够在宽温度范围内增强电池性能。对于锂硫电池的电化学反应过程，GSCC可有效催化加速Li₂S₄向Li₂S₂转化过程（该过程被视为速率决定步骤），并且该粘结剂具有优异的温度适应性（图4）。因此，即使在极端温度环境下，基于GSCC的锂硫电池仍能稳定服役，其在-30℃下0.1 C循环60次后容量无衰减，在60℃下0.5 C循环300次每循环平均容量衰减率仅为0.095%。此外，通过构建温度-相态-性能联动分析曲线，进一步探究了GSCC中聚合物与液态金属优势互补的工作机制——高温环境下液态金属呈现液体性状，其受电场驱动的形变迁移能力为正极提供了丰富的动态催化位点，而聚合物通过极性基团配位作用不仅可有效降低液态金属团聚导致的活性位点损失，还能进一步增强其电催化活性；低温环境下液态金属呈现固体性状，其机械强度为正极提供了良好的刚性支撑，而聚合物则可通过对多硫化物极性吸附以补偿液态金属凝固导致的活性位点催化效率下降问题，还能提供离子跃迁位点以增强活性界面离子传输动力学过程。（图5）。

图4 宽温范围内使用不同粘结剂锂硫电池的电化学性能与动力学分析图

图5 GSCC电池宽温范围内的循环性能与工作温度对比

  GSCC具有电场驱动特性，即其中液态金属可在电场调控下进行形变与迁移，从而利于活性位点均匀分散，以提升电催化效率（图6）。在微介观尺度电场驱动特性可促进活性位点均匀分散，从而提升电催化效率。这一特性结合聚合物极性基团配位作用和氢键网络自修复能力可提供稳定的电催化环境（图6），可助力锂硫电池在极端温度环境下稳定服役。

图6 GSCC的电场驱动特性与自修复能力

  这项研究工作突破了传统粘结剂温度适应性差和本征电催化能力缺失的局限性，系统研究了不同温度下聚合物复合材料特性对电催化能力和结构稳定性的调控机制，实现了锂硫电池可在宽温域（-40~60℃）稳定服役，为解决极端温度下的电池性能衰减提供了新思路。研究成果以“Wide temperature range adaptable electric field driven binder for advanced lithium-sulfur batteries”为题发表在Nature Communications上（Nature Communications, 2025, 16, 7860）。大连理工大学2021级博士研究生江万源是论文的第一作者，通讯作者为大连理工大学蹇锡高院士、胡方圆教授和东北林业大学张天鹏教授。

  原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-62909-1